《岩石力学的破坏形式和全应力应变曲线应用问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石力学的破坏形式和全应力应变曲线应用问题（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、岩石力学的破坏形式和全应力应变曲线应用问题岩土工程：李兴洋：路世豹中文摘要:岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的。它的物理性质是指在岩石中三相组分的相对含量不同所表现的物理状态。与工程相关密切的基本物理性质有密度和空隙性。它的破坏形式有哪些，岩石的全应力应变曲线的特殊性，外文摘要: Rock and soil is same, also be a solid, liquid and gas composition. It refers to the physical properties of rocks three-phase components in the relative co
2、ntent of different display that physical state. And engineering related closely the basic physical properties have density and gap sex. Its damage forms, what are all of rocks stress-strain curve of the special and application problems. 关键词：掩饰的破坏、全应力应变曲线目录:一、岩石（体）的基本物理性质。二、岩石的破坏形式。三、什么是全应力应变曲线？为什么普通
3、材料试验机得不出全应力应变曲线？四、关于全应力应变曲线的预测作用。引言：岩石试验是岩石力学的基础，是研究岩石力学与工程的重要手段之一。在我国，随着试验设备和手段的提高，岩石力学的试验水平有了较大的发展。特别是常规的岩石力学试验发展很快，如单轴拉伸压缩试验、三轴压缩试验、岩体抗剪试验、岩石流变试验、断裂试验等。近年来，随着大批重大岩石工程建设的需要，对岩石力学特性试验提出了更高的要求，进行了若干非常规的岩石力学特性试验研究。例如：利用高倍扫描电镜对岩石的细观时效损伤特性所进行的细观试验分析、岩石损伤力学特性的 CT 试验、岩石声发射试验、膨胀岩的膨胀试验，复杂应力条件下岩石在开挖卸荷条件下的多轴
4、卸荷破坏试验等。正文：一岩石（体）的基本物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的。它的物理性质是指在岩石中三相组分的相对含量不同所表现的物理状态。与工程相关密切的基本物理性质有密度和空隙性。1）岩石的密度（容重）岩石密度（rock density）是指单位体积内岩石的质量，单位为 g/cm3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数。岩石密度又分为颗粒密度和块体密度，常见岩石的密度列于表 1-2。（1）颗粒密度岩石的颗粒密度（ s）是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。它不包括空隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。如基性、超基性岩浆岩，含密
5、度大的矿物比较多，岩石颗粒密度也偏大,一般为 2.73.2g/cm 3；酸性岩浆岩含密度小的矿物较多，岩石颗粒密度也小，其 s值多在 2.52.85g/cm 3之间变化；而中性岩浆岩则介于上二者之间。又如硅质胶结的石英砂岩，其颗粒密度接近于石英密度；石灰岩和大理岩的颗粒密度多接近于方解石密度，等等。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。（2）块体密度块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度（ d） 、饱和密度（ sat） 、和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。各自的定义如下： d= （1-16）Vms sat= （1-
6、17）sat（1-18）Vm式中：m s、 msat、 m 分别为岩石试件的干质量、饱和质量和天然质量；V 为试件的体积。岩石的块体密度除与矿物组成有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着空隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。岩石的块体密度可采用规则试件的量积法及不规则试件的蜡封法测定。2）岩石的空隙性岩石是有较多缺陷的矿物材料，在矿物间往往留有空隙。同时，由于岩石又经受过多种地质营力作用，往往发育有不同成因的结构面，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂的多，即除了空隙外，还有裂隙存在。另外，岩石中的空隙有些部分往
7、往是互不连通的，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙有开型空隙和闭空隙之分，开型空隙按其开启程度又有大、小开型空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率（n） 、总开空隙率（n 0） 、大开空隙率（n b） 、小开空隙率（n a）和闭空隙率(n c)几种，各自的定义如下：n= 100%=(1- )100% （1-19）Vsdn0= 100% （1-20）nb= 100% （1-21）Vna= 100%=n0-nb （1-22）nc= 100%=n-n0 （1-23）V式中：V V、V Vo、V Vb、V va、V vc分别为岩石中空隙的总体积、总开空隙体积、大开空隙体积、小开空隙体积
8、及闭空隙体积；其它符号意义同前。1.2.3 岩石的水理性质岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性、渗透性、膨胀性及崩解性等。1) 岩石的吸水性岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。常用吸水率，饱和吸水率与饱水系数等指标表示。(1）吸水率岩石的吸水率（ a）是指岩石试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（ mw1）与岩样干质量（ ms）之比，用百分数表示，即（1-24）%10sW实测时先将岩样烘干并称干质量，然后浸水饱和。由于试验是在常温常压下进行的，岩石浸水时，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入。因此可用吸水率来计算岩石的大开
9、空隙率（n b） ，即：（1-25）adadVbn10式中： w为水的密度，取 w =1g/cm3。(2)饱和吸水率岩石的饱和吸水率（ ）是指岩石在高压（一般压力为 15Mpa）或真空条件下吸入水的质量（m w2）与岩样干质量（m s）之比,用百分数表示，即：p= 100% （1-26）sw2在高压（或真空）条件下，一般认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率可表示为：n0= 100%= = dP （1-27）Vvwpd岩石的饱和吸水率也是表示岩石物理性质的一个重要指标。由于它反映了岩石总开空隙率的发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的风化能力和抗冻性。常见岩石的饱和吸水率见表 1-3
10、。(3）饱水系数岩石的吸水率（ a）与饱和吸水率（ p）之比，称为饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关系。一般说来，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少。另外，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。2) 岩石的软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（ KR）表示。 KR定义为岩石试件的饱和抗压强度（ Rcw）与干压强度的比值，即：（1-28）cwhK3) 岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数和质量损失率来表示。冻融系数（ Rd）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（ Rc
11、2）与冻融前干抗压强度（ Rc1）之比，用百分数表示，即（1-29）%102cdR质量损失率（ Km）是指冻融试验前后干质量之差（ ms1-ms2）与试验前干质量（ ms1）之比，以百分数表示即（1-30）1021s试验时，要求先将岩石试件浸水饱和，然后在-2020温度下反复冻融 25 次以上。冻融次数和温度可根据工程地区的气候条件选定。二岩石的破坏形式： 1）脆性破坏： 大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。 例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室
12、围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。 2）塑性破坏： 在两向或三向受力情况下，岩石在破坏之前的变形较大，没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏即为塑性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。 在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起、两侧围岩向洞内鼓胀都是塑性破坏的例子。3）弱面剪切破坏： 由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就产生沿着弱面的剪切破坏，从而使整个岩体滑动。三什么是全应力应变曲线？为什么普通材料试验机得不
13、出全应力应变曲线？答：在单轴压缩下，记录岩石试件被压破坏前后变形过程的应力应变曲线。普通材料实验机整体刚度相对较小，对试件施加载荷产生的反作用力将使实验机构件产生较大变形（弹性能储存） ，当岩石试件被压坏时，试件抗压能力急剧下降，致使实验机弹性变形迅速恢复（弹性能释放）摧毁岩石试件，而得不到岩石破坏后的应力应变曲线。刚性实验机在施加载荷时，自身变形极小，储存的弹性能不足以摧毁岩石试件，因此可以得到岩石破坏后的应力应变曲线。四关于全应力应变曲线的预测作用预测岩爆。若 AB，会产生岩爆若 BA，不产生岩爆。蠕变破坏。当应力水平在 H 点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。应力水平在 G H
14、点之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若应力水平在 G 点及以上保持恒定，则蠕变应变发展就和全应力应变曲线的右半部，试件将发生破坏。循环加载条件下岩石的破坏。循环荷载：爆破，而且是动荷载。在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一段时间，岩石工程才会发生破坏。所以，根据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力应变曲线来预测循环加载条件下岩石破坏时间。结论: 由于岩石是一种十分复杂的地质材料，其复杂性、模糊性、非线性和不确定性使得传统的力学方法难以很好地应用。因此，对于岩石力学与工程这样高度非线性的复
15、杂系统，要对它的力学行为进行预测和控制，必须借助现代非线性科学，建立适合于岩石力学与工程特点的岩石非线性动力系统理论。目前，非线性科学体系中发展比较成熟的学科主要包括：耗散结构理论、协同学、突变理论、分形理论、混沌理论和人工神经网络。参考文献：1 孙 钧. 岩石力学在我国的若干进展J ，西部探矿工程，1999，11(1):15.2 陶振宇. 试论岩石力学的最新进展J ，力学进展，1992，(2):161172.3 周维垣. 高等岩石力学M ，北京：水利电力出版社，1991.16.4 Zhou Weiyuan. The development and state of art of rock mechanics in ChinaA. Proc. of int. syom. on application of computer method in rock mechanics andengineeringC, Xian :s.n, 1993.813.5 孙 钧. 三峡工程永久船闸高边坡岩体稳定与变形分析R. 上海：同济大学岩土工程研究所， 1997
